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cálculo de diseño de un extractor de lotes

interfaz extractor intercambiador de calor

Presión de vapor en el extractor P \u003d 8 kgf / m 2

Presión de vapor en la camisa P 1 \u003d 1 kgf / m 2

Diámetro interno del extractor D h \u003d 650 mm

Diámetro interior de la chaqueta D \u003d 750 mm

Longitud de la parte cilíndrica del cuerpo L \u003d 100 mm

El diámetro del círculo de instalación de los pernos D b \u003d 850 mm

El ángulo de apertura del cono 2b \u003d 120 0

Diámetro de la trampilla superior d \u003d 40 mm

Diámetro del ramal para la entrada de vapor d 1 \u003d 90 mm

Diámetro del ramal para la salida d 2 \u003d 38 mm

La temperatura de la sustancia extraída t \u003d 70 0 C

Producto: Extracción de azúcar de remolacha

Material gráfico obligatorio:

Boceto extractor

Introducción

El proceso de extracción de sustancias de sólidos es bastante complejo. En algunos casos, las sustancias útiles no están disueltas y el solvente penetra en los poros de los sólidos, disuelve los componentes extraídos, que luego pasan a la mayor parte del líquido de extracción. Independientemente del estado de los componentes extraídos en el tejido de las materias primas vegetales, el proceso de extracción se caracteriza principalmente por la difusión molecular dentro de una partícula sólida y la transferencia de masa en su superficie, cada uno de los componentes debe tenerse en cuenta cuantitativamente. El coeficiente de transferencia de masa en el aparato de extracción está muy influenciado por las características de diseño de estos aparatos bajo ciertas condiciones tecnológicas del proceso. En la industria alimentaria, para la extracción de componentes útiles a partir de sólidos, se utilizan ampliamente extractores de varios diseños de acción continua y periódica.

En este trabajo se calcula el diseño de un extractor discontinuo utilizado en la industria alimentaria. Se presta especial atención al cálculo de la fuerza.

1. Objeto y alcance del aparato diseñado

Los extractores (dispositivos de extracción) se utilizan para extraer sustancias útiles de materias primas vegetales (u orgánicas) exponiéndolas a un extractante-disolvente.

Se puede utilizar agua, diversas soluciones acuosas u otros líquidos como extractante.

Es aconsejable utilizar dispositivos de calor: extractores para tanques de reserva (Fig.1). El dispositivo se carga con decocción a través de la tapa superior, el producto se saca a través de la boquilla inferior.

Se suministra agua caliente a la camisa de vapor para mantener la temperatura del caldo a un nivel de 90-95 ° C. El control de temperatura se realiza mediante un termómetro remoto montado en la tubería del producto que suministra el caldo para el secado.

Figura 1 - Recipientes de reserva para caldo líquido.

Características técnicas de un aparato similar - extractor:

A pesar de la presencia de un tanque de reserva, no se recomienda acumular decocciones líquidas, especialmente avena, en grandes cantidades, ya que la acidez se acumula, lo que conduce al deterioro del producto. El aumento de la acidez del caldo de avena en las etapas del proceso tecnológico se caracteriza por los siguientes indicadores (en ° T): después de la cocción - 7.2, al salir de la máquina de frotar - 8.1, después del homogeneizador - 9.0, al dejar los colectores antes del secado - 11, 7.

Consideremos diseños similares de extractores usando el ejemplo de unidades producidas en la planta AGROMASH.

Extractor de lotes

El contenedor-extractor (Fig. 2) es un aparato cilíndrico vertical sellado. Las materias primas vegetales originales (u orgánicas) se colocan en bolsas o redes especiales.

La circulación de la solución extractante se realiza mediante una bomba (o un generador hidrodinámico). La admisión de la solución del aparato se realiza mediante un dispositivo de admisión especial tipo ranura y el suministro se realiza mediante un pulverizador especial.

Figura 2 - Tanque-extractor con agitación hidrodinámica

Especificaciones

Volumen total, l 650

Potencia del motor eléctrico bomba, kW 1,1

Extractor de lotes con agitador

El contenedor-extractor (Fig. 3) es un recipiente con escotillas selladas, tapa elevable con elevador mecánico y rejillas internas. La circulación de la solución extractante se realiza mediante un mezclador de diseño especial. Utilizado eficazmente en todas las industrias.

Especificaciones*

Volumen total, l 650 *

Potencia del motor de accionamiento del agitador, kW 5

Figura 3 - Extractor de lotes con agitador

Extractor con columna de rectificación y condensador de reflujo

El proceso de extracción tiene lugar en la cámara de extracción (Fig. 4) del aparato, donde se carga la materia prima. Los vapores extractantes de la cámara de evaporación, calentados por una camisa de vapor, ingresan a la columna de destilación, desde donde las fracciones volátiles ingresan al condensador de reflujo y se condensan.

Especificaciones*

Volumen total, l 1700

Figura 4 - Extractor con columna de rectificación y condensador de reflujo

Para el diseño del aparato inicial y sus unidades, elegí acero resistente al calor, resistente al calor y resistente a la corrosión 12X18H10T, porque es el más adecuado para esta unidad. Las unidades estructurales hechas de dicho material son capaces de soportar cargas pesadas, así como un uso confiable en entornos químicos agresivos. A un precio de hoja por kg de 300 rublos.

2. Cálculo de los principales elementos estructurales de los intercambiadores de calor.

2.1 Cálculo de carcasas lisas cargadas con sobrepresión interna

Cálculo de carcasas cilíndricas.

Los esquemas de diseño de carcasas cilíndricas se muestran en la Fig.5

Figura 5 - Carcasas cilíndricas lisas con fondos convexos o cónicos: a - Carcasa con fondos con bridas; b - caparazón con fondos sin bridas

El espesor de pared calculado de las carcasas cilíndricas sigue la fórmula

donde p es la presión de diseño, MPa

D - diámetro interior, m.

Espesor de pared ejecutivo

2.2 Cálculo de conchas cónicas

El espesor de pared de diseño de una carcasa cónica lisa cargada con exceso de presión interna se determina mediante la fórmula

donde es el diámetro interior en la base del cono, m

- la mitad del ángulo en el vértice del cono (ver Fig.5)

Espesor de pared ejecutivo

La condición para la aplicabilidad de las fórmulas de diseño para la relación entre el espesor de la pared de la capa exterior y el diámetro interior.

2.3 Cálculo de una cubierta convexa

Espesor de pared calculado de una cubierta elíptica cargada con presión interna

Radio de curvatura en la parte superior de la tapa.

donde - para cubiertas elípticas con

Espesor de la pared de la cubierta

La condición para la aplicabilidad de las fórmulas de diseño para la relación entre el espesor de la pared y el diámetro.

2.4 Cálculo de carcasas, cabezas y tapas cargadas con presión externa

Cálculo de una carcasa cilíndrica cargada con presión externa

1) Determine la longitud estimada de la carcasa cilíndrica, teniendo en cuenta la longitud del elemento adyacente

Al determinar la longitud calculada de la carcasa o la longitud del elemento adyacente debe determinarse mediante la fórmula

mm

- para fondos cónicos sin rebordear.

2) Determine los coeficientes auxiliares

donde es el margen de estabilidad de la cáscara (en condiciones de operación \u003d 2.4)

3) Determine el espesor aproximado de la pared

El coeficiente debe tomarse de acuerdo con el nomograma que figura en el Apéndice A

4) Determine la presión permisible a partir de la condición de resistencia.

5) Determine la presión permisible a partir de la condición de estabilidad dentro de la elasticidad

dónde

6) Presión externa permitida

7) Verifique el estado

2.5 Conchas cónicas lisas cargadas con presión externa

1) Se asume que el espesor de la pared es el valor calculado en el capítulo 2.1. artículo 3. ... En la determinación preliminar del espesor de la pared, en lugar de ly D, tomamos los valores

donde D 1 - diámetro interior en la parte superior del cono, mm

2) Determine la presión permisible a partir de la condición de resistencia:

3) Determine la presión permisible a partir de la condición de estabilidad dentro de la elasticidad:

El valor del coeficiente B 1 está determinado por la fórmula

4) La presión externa permitida está determinada por la fórmula

5) Verifique la condición de estabilidad

3 Cálculo de compañeros de la chaqueta con el cuerpo

La superficie de la camisa de intercambio de calor está hecha en forma de una chaqueta en forma de U (ver Fig. 7). En este caso, el emparejamiento (conexión) de la chaqueta y el cuerpo se realiza mediante un anillo.

La presión de diseño para la camisa es p 2 y la presión de diseño para el recipiente es p 1 si p 1\u003e 0.

a) b)

Figura 7 - Buques con chaqueta en forma de U

a) - con conjugación usando un cono; b) - con conjugación usando un anillo

3.3 Acoplamiento de la chaqueta con el cuerpo del recipiente mediante un anillo

Figura 8 - Acoplamiento de la camiseta al cuerpo mediante un anillo

Determine la distancia desde el medio de la pared de la chaqueta hasta el lado exterior de la pared del recipiente.

1) Determine la altura del anillo

donde p 2 es la presión del vapor en la camisa, MPa)

[y] 2 - esfuerzo permisible para el material de la pared de la camisa a la temperatura de diseño, MPa

2) Determine el tamaño de la soldadura entre el recipiente y el anillo en los puntos de contacto.

\u003d 178 MPa

3) Determine los factores de resistencia calculados de la soldadura.

4) Determinar los parámetros del anillo.

- tamaño relativo del anillo

- presión relativa

- parámetro geométrico del anillo

c P0 - factor de resistencia de la soldadura radial en el anillo de acoplamiento

b 0 - ancho del anillo

5) Determine el momento de carga relativo

donde A es el coeficiente de fuerza axial según la fórmula:

donde d 1 es el diámetro de la circunferencia del acoplamiento de la chaqueta con el fondo del recipiente (Fig. 9). El diámetro de la circunferencia del acoplamiento de la chaqueta con el fondo del recipiente debe satisfacer la condición

Figura 9 - Emparejamiento de la camiseta con la parte inferior

6) Determine el momento reactivo relativo en la pared del recipiente.

p 2\u003e p 1\u003e 0, luego sustituimos p 1 \u003d 0 en la fórmula

7) Determine el momento reactivo relativo en la pared de la camiseta.

ya que

8) Determine el momento reactivo relativo en la unión del anillo con la pared del recipiente

9) Determinar la sobrepresión permisible en la chaqueta está determinada por la fórmula

10) Aclaramos el valor de la altura del anillo

Carga de peso propio.

El peso propio provoca una fuerza axial en el anillo

donde está el propio peso de la embarcación y su contenido, mientras que los soportes se ubican en la chaqueta.

La verificación de la capacidad de carga de la acción combinada de la fuerza axial y la sobrepresión en la camisa en forma de U debe realizarse de acuerdo con la fórmula:

Cálculo de conexión de brida

Determinación de los parámetros de diseño de la conexión.

1) El espesor S 0 \u003d 8 mm del manguito de la brida, dependiendo de su diseño (tipo brida - libre), se toma de forma que cumpla la condición S 0\u003e S. S 0 \u003d 8 mm

Figura 10 - Esquema de diseño

Altura h en mangas con pestaña sueltas:

El diámetro interior del anillo libre D s se toma

2) Diámetro D b círculo atornillado de bridas:

donde u 1 es la holgura estándar entre la tuerca y la cáscara (u 1 \u003d 8 mm);

d 6 \u003d 20 mm es el diámetro exterior del perno;

D s es el diámetro interior del anillo libre.

3) Diámetro exterior de la brida:

donde a es un aditivo constructivo para colocar tuercas a lo largo del diámetro de la brida.

4) El diámetro exterior de la junta se selecciona teniendo en cuenta la condición

Donde D s1 es el diámetro exterior del hombro ()

5) Diámetro medio de la junta

donde b es el ancho del espaciador

6) Determine el número de pernos necesarios para asegurar el apriete de la conexión:

donde t w es el paso recomendado de los tornillos, seleccionado en función de la presión (a P p \u003d 0,6 -1,0 MPa t w \u003d (4,0 20) d b)

7) La altura (grosor) de la brida es aproximada:

donde l f \u003d 0.48 es el coeficiente tomado de la Fig. once

S eq - espesor equivalente del manguito de la brida

Figura 11 - Gráfico para determinar el coeficiente l f en bridas planas (1) y soldadas a tope (2).

donde в 1 es el coeficiente determinado a partir de la Fig. 12

Figura 12 - Gráfico para determinar el coeficiente en 1

Cálculo de la estanqueidad de la conexión de brida:

1) Determinar las cargas en las juntas durante la instalación - F b1 y en las condiciones de trabajo - F b2 (ver Fig.8)

Figura 8 - Esquema de la acción de las cargas sobre la brida en condiciones de funcionamiento

2) Como resultado de fuerzas de presión internas

3) Reacción de la tira

donde b 0 es el ancho efectivo de la tira, m (en b< 15 мм b 0 = b = 15 мм);

k pr - coeficiente según el material y el diseño de la junta

4) Determine la fuerza que surge de las deformaciones de temperatura.

donde b f, b b, b c - respectivamente, los coeficientes de expansión lineal del material de la brida, los pernos y el anillo libre;

t f, t b, t c - respectivamente, la temperatura de la brida, pernos, anillo libre;

y b, y p, y f, y c - cumplimiento, respectivamente, de pernos, empaquetaduras, bridas, anillo libre, determinado por las fórmulas:

donde E b es el módulo de elasticidad del material del perno

f b - el área de la sección transversal estimada del perno en el diámetro interno de la rosca;

l b - longitud estimada del perno.

donde l bo es la distancia entre las superficies de apoyo de la cabeza del perno y la tuerca, determinada por la fórmula

donde h p es la altura de una junta estándar;

d \u003d d b - diámetro del agujero del perno

Cumplimiento de la junta

donde k p \u003d 0.09 es la relación de compresión de la junta de goma;

E p - módulo de elasticidad del material de la junta

Cumplimiento de bridas

donde E es el módulo de elasticidad del material de la brida, N / m 2;

v, l f - parámetros adimensionales.

donde w 1 w 2 - coeficientes determinados por las fórmulas:

Cumplimiento de anillo gratuito

donde E c es el módulo de elasticidad del material de la brida, N / m 2;

h c - altura del anillo libre, m (h c \u003d h f).

5) Coeficiente de rigidez de una conexión de brida al unir bridas del mismo diseño:

6) Carga del perno en condiciones de instalación antes de aplicar presión interna:

donde: F - fuerza axial externa de tracción (+) o compresión (-) (F \u003d 0 - en nuestro caso);

M - momento flector externo (M \u003d 0);

[y] y20 - ¿Esfuerzo permisible para el material del perno a 20? C, N / m 2

P pr es la presión de compresión mínima de la junta, MPa.

7) Carga del perno en condiciones de trabajo:

8) Momento flector reducido:

9) Comprobación de las condiciones de resistencia de los tornillos

10) Comprobamos el estado de resistencia de las juntas no metálicas:

dónde,

11) Tensión máxima en la sección limitada por el tamaño S 0

donde y 1 es la tensión máxima en la sección del ala, limitada por el tamaño S x, MPa,

f f - parámetro adimensional determinado por el monograma (Apéndice B) dependiendo de S 1 / S 0

T f - parámetro adimensional, lo encontramos por la fórmula:

12) Tensión en el manguito por presión interna:

Tangencial

Meridional

13) Comprobamos la fuerza de resistencia para la sección de la brida limitada por el tamaño S 0:

donde [y] 0 es el esfuerzo permisible para el ala en la sección, tomado cuando el número de carga de las juntas es 2 · 10 3.

14) Comprobamos la condición de resistencia del anillo libre:

donde se determina el momento flector reducido a partir de la condición:

donde y la tensión admisible para el material del anillo libre a 20 ° C y la temperatura de diseño, respectivamente.

15) Comprobamos el estado de estanqueidad, determinado por el ángulo de rotación del anillo libre:

donde es el ángulo de rotación permisible del anillo

4 Selección y cálculo de apoyos

1) Preseleccione los soportes soldados (ver Fig.14) de acuerdo con GOST 26296-84, teniendo en cuenta el peso del aparato. El peso del aparato se determina por la suma del peso de las piezas, unidades de montaje, teniendo en cuenta el peso del producto en el aparato. Pie de apoyo 1-10000 GOST 26296-84

Figura 14 - Pie de apoyo soldado

2) Determine el hombro de carga de acuerdo con la siguiente fórmula (vea la Fig.15):

3) Calculamos la carga que actúa sobre un soporte mediante la fórmula

4) Determine la relación de los parámetros del aparato y el soporte:

5) Determine el voltaje a partir de la acción de la presión interna.

6) La tensión máxima de la membrana de las cargas principales y la reacción del soporte está determinada por la fórmula

7) El esfuerzo de flexión máximo de la reacción del soporte se determina mediante la siguiente fórmula:

Figura 15 - Esquema para determinar el hombro de carga

8) Verifique la condición de resistencia

Recortes de refuerzo

Agujero para el tubo de la trampilla superior

El cálculo de la resistencia del refuerzo de orificios individuales se realiza en la siguiente secuencia:

para una cubierta elíptica en Н \u003d 0,25 D

Determine el diámetro calculado del orificio en la pared de la carcasa, transición o fondo en presencia de una boquilla con una sección transversal circular, cuyo eje coincide con la normal a la superficie en el centro del orificio o un orificio circular sin boquilla, se determina mediante la fórmula

Agujero para el ramal del fondo del recipiente

1) Determine el diámetro de diseño de un solo orificio que no requiere refuerzo adicional, en presencia de un espesor excesivo de la pared del recipiente, se calcula mediante la fórmula

donde s es el espesor de la pared de la carcasa que se va a reforzar;

s p - espesor de pared de diseño de la carcasa a reforzar,

D p - diámetros calculados de los elementos reforzados:

para fondo cónico

El espesor de pared de diseño de la boquilla, cargada con presión tanto interna como externa, está determinada por la fórmula

Determinamos los diámetros calculados en función del tipo de refuerzo seleccionado.

Comprobación por condición

2) Determinar las dimensiones calculadas y ejecutivas del refuerzo.

Figura 16 - Refuerzo de agujeros con bridas

l 1\u003e l 1р.

El ancho de trabajo de la zona de refuerzo l debe cumplir la condición l\u003e l P.

3) Verificamos la condición para fortalecer agujeros individuales

Orificio para el tubo de entrada de la camisa del recipiente

1) Determine el diámetro de diseño de un solo orificio que no requiere refuerzo adicional, en presencia de un espesor excesivo de la pared del recipiente, se calcula mediante la fórmula

donde s es el espesor de la pared de la carcasa que se va a reforzar;

s p - espesor de pared de diseño de la carcasa a reforzar,

D p - diámetros calculados de los elementos reforzados:

para carcasa cilíndrica

El espesor de pared de diseño de la boquilla, cargada con presión tanto interna como externa, está determinada por la fórmula

2) Determine los diámetros calculados según el tipo de refuerzo seleccionado.

Diseño del diámetro del orificio para una boquilla de sección circular, cuyo eje coincide con la normal a la superficie del cotilo en el centro del orificio, en presencia de una brida.

Comprobación por condición

La condición no se cumple, estamos reforzando el agujero.

3) Determinar las dimensiones estimadas y operativas del refuerzo.

La longitud estimada de las partes exterior e interior del accesorio redondo, que participan en el fortalecimiento del orificio y se tiene en cuenta en el cálculo (Fig.16), se determina mediante la fórmula:

Las longitudes operativas de los racores l 1, l 2 deben cumplir la condición

l 1\u003e l 1р.

El ancho de la zona de refuerzo en conchas, transiciones y fondos está determinado por la fórmula

El ancho estimado de la zona de refuerzo en la pared del armazón, transición o fondo en las proximidades del estrangulador en presencia de una brida.

El ancho de trabajo de la zona de refuerzo l debe cumplir la condición l\u003e l P.

Relaciones de tensión admisibles para la parte exterior del estrangulador:

El diámetro calculado está determinado por la fórmula

4) Comprobamos el estado del refuerzo de agujeros individuales.

Orificio para el tubo de salida de la camisa del recipiente

1) Determine el diámetro de diseño de un solo orificio que no requiere refuerzo adicional, en presencia de un espesor excesivo de la pared del recipiente, se calcula mediante la fórmula

donde s es el espesor de la pared de la carcasa que se va a reforzar;

s p - espesor de pared de diseño de la carcasa a reforzar,

D p - diámetros calculados de los elementos reforzados:

para fondo cónico

El espesor de pared de diseño de la boquilla, cargada con presión tanto interna como externa, está determinada por la fórmula

2) Determine los diámetros calculados según el tipo de refuerzo seleccionado.

Diseño del diámetro del orificio para una boquilla de sección circular, cuyo eje coincide con la normal a la superficie del cotilo en el centro del orificio, en presencia de una brida.

Verificamos por condición si el diámetro calculado de un solo agujero satisface la condición, entonces no se requieren cálculos adicionales del refuerzo de los agujeros.

3. Salud y seguridad ocupacional y requisitos sanitarios e higiénicos

En Rusia, el control y la supervisión estatal sobre el cumplimiento de los requisitos de protección laboral lo lleva a cabo la inspección del trabajo federal dependiente del Ministerio de Salud y Desarrollo Social de la Federación de Rusia y los órganos ejecutivos federales (dentro de sus competencias).

La Inspección Federal de Trabajo supervisa la implementación de la legislación, todas las normas y reglas de protección laboral. La supervisión sanitaria y epidemiológica estatal, realizada por los órganos del Ministerio de Salud de la Federación de Rusia, verifica el cumplimiento de las empresas con las normas y reglas sanitarias e higiénicas y sanitarias y antiepidemiológicas. La Supervisión Estatal de Energía dependiente del Ministerio de Combustible y Energía de la Federación de Rusia controla el correcto diseño y funcionamiento de las instalaciones eléctricas. La supervisión estatal de incendios monitorea el cumplimiento de los requisitos de seguridad contra incendios en el diseño y operación de edificios e instalaciones. Las personas culpables de violación de los requisitos de protección laboral, incumplimiento de las obligaciones de protección laboral estipuladas por convenios y convenios colectivos, contratos laborales (contratos), o obstaculizar las actividades de los representantes de supervisión y control estatal sobre el cumplimiento de los requisitos de protección laboral, así como los órganos de control público, son disciplinarios, administrativos, civiles - responsabilidad legal y penal de acuerdo con la legislación de la Federación de Rusia.

Existen los siguientes tipos de acción disciplinaria:

- Observación;

- Una reprimenda;

- Despido por causa apropiada.

Las sanciones administrativas por la violación de los requisitos de OT incluyen una multa administrativa y la descalificación. La responsabilidad penal por la violación de los requisitos de protección laboral prevé los siguientes tipos de castigos:

- bien;

- privación del derecho a ocupar determinados cargos y realizar determinadas actividades;

- trabajo correccional;

- prisión por un período determinado.

Ingeniería de Seguridad

1. Los equipos de producción deben garantizar la seguridad de los trabajadores durante la instalación (desmontaje), puesta en servicio y operación, tanto en el caso de uso autónomo, como como parte de complejos tecnológicos, sujeto a los requisitos (condiciones, reglas) previstos en la documentación operativa.

Nota. La operación generalmente incluye el uso previsto, el mantenimiento y la reparación, el transporte y el almacenamiento.

2. La seguridad del diseño de los equipos de producción está garantizada por:

1) la elección de principios de operación y soluciones de diseño, fuentes de energía y características de los portadores de energía, parámetros de los procesos de trabajo, sistema de control y sus elementos;

2) minimización de la energía consumida y acumulada durante la operación de los equipos;

3) la elección de componentes y materiales para la fabricación de estructuras, así como los utilizados durante la operación;

4) la elección de los procesos de fabricación;

5) el uso de equipo de protección para los trabajadores integrado en el diseño, así como medios de información que advierten sobre la ocurrencia de situaciones peligrosas (incluyendo riesgo de incendio y explosión) *;

* Situación peligrosa: una situación cuya ocurrencia puede causar el impacto en el trabajador (trabajadores) de factores de producción peligrosos y dañinos.

6) la fiabilidad de la estructura y sus elementos (incluida la duplicación de sistemas de control individuales, medios de protección e información, cuyas fallas pueden dar lugar a la creación de situaciones peligrosas);

7) el uso de medios de mecanización, automatización (incluida la regulación automática de los parámetros de los procesos de trabajo) de control remoto y monitoreo;

8) la capacidad de utilizar equipos de protección que no forman parte del diseño;

9) cumplimiento de los requisitos ergonómicos;

10) limitación del estrés físico y neuropsiquiátrico de los trabajadores.

3. Los requisitos de seguridad para equipos de producción de grupos, tipos, modelos (marcas) específicos se establecen sobre la base de los requisitos de esta norma, teniendo en cuenta:

1) características de propósito, desempeño y condiciones de operación;

2) los resultados de las pruebas, así como el análisis de situaciones peligrosas (incluido el riesgo de incendio y explosión) que ocurrieron durante la operación de equipos similares;

3) los requisitos de las normas que establecen los valores permisibles de factores de producción peligrosos y nocivos;

4) trabajo de investigación y desarrollo, así como análisis de medios y métodos para garantizar la seguridad en los mejores análogos del mundo;

5) requisitos de seguridad establecidos por normas internacionales y regionales y otros documentos para grupos, tipos, modelos (marcas) similares de equipos de producción;

6) pronosticar la posible ocurrencia de situaciones peligrosas en equipos recién creados o modernizados.

Los requisitos de seguridad del complejo tecnológico también deben tener en cuenta los posibles peligros provocados por el funcionamiento conjunto de las unidades de equipos de producción que componen el complejo.

4. Cada equipo de producción complejo tecnológico y de uso autónomo debe completarse con documentación operativa que contenga requisitos (reglas) que eviten la ocurrencia de situaciones peligrosas durante la instalación (desmantelamiento), puesta en servicio y operación. Los requisitos generales para el contenido de la documentación operativa en términos de seguridad se dan en el apéndice.

5. Los equipos de producción deben cumplir con los requisitos de seguridad durante todo el período de operación si el consumidor cumple con los requisitos establecidos en la documentación operativa.

6. Los equipos de producción durante la operación no deben contaminar el medio ambiente con emisiones de sustancias nocivas y microorganismos nocivos en cantidades superiores a los valores permisibles establecidos por las normas y normas sanitarias.

CONCLUSIÓN

Este proyecto de curso es un conjunto de trabajos computacionales y gráficos para el diseño y selección de un extractor. El intercambiador de calor diseñado permite realizar los procesos necesarios con los parámetros especificados.

Después de analizar el funcionamiento del extractor, analicé los principios de diseño de las unidades de montaje. Descubrí los puntos principales que me ayudaron a comprender mejor los conceptos básicos del diseño de máquinas y aparatos para la producción de alimentos. En el curso del trabajo de diseño y cálculo (cálculo de diseño, cálculo hidráulico, cálculo de resistencia), se seleccionaron las unidades estructurales, la confiabilidad mecánica, la elección económicamente justificada (material, longitud, etc.) y se confirmó la perfección del diseño del aparato. Estos factores son fundamentales para un funcionamiento altamente productivo y sin problemas de equipos en un entorno industrial. Mi proyecto es la base para la consolidación de disciplinas relacionadas con el diseño, las cuales aplicaré con seguridad en la práctica, mientras domino nuevas disciplinas relacionadas con mi especialidad.

BIBLIOGRAFÍA

1. Sokolov V.I. Fundamentos de cálculo y diseño de máquinas y aparatos para la producción de alimentos. - M.: Ingeniería Mecánica, 1983 .-- 447 p.

2. Taller de Kharlamov S.V. sobre cálculo y. el diseño de máquinas y aparatos para la producción de alimentos: un libro de texto. - L .: Agropromizdat, 1991.

3. Kononyuk L.V., Basanko V.A. Manual del diseñador de equipos de producción de alimentos. - K.: Técnica, 1981.

4. Ostrikov AN, Abramov OV, Cálculo y diseño de máquinas y dispositivos para la producción de alimentos. Libro de texto para universidades. - SPb.: GIORD, 2003.

5. Kurochkin A.A., Zimnyakov V.V. Fundamentos de cálculo y diseño de máquinas y dispositivos para industrias de transformación. - M.: Kolos, 2006.

6. GOST 14249-89 Buques y aparatos. Normas y métodos de cálculo de la fuerza.

7. GOST 24755-89 Buques y aparatos. Normas y métodos para calcular la resistencia de los agujeros de refuerzo.

8. GOST 25867-83 Buques y aparatos. Buques con chaquetas. Normas y métodos de cálculo de la fuerza.

9. GOST 12.2.003-91 Sistema de normas de seguridad laboral. Equipo de fabricación. Requisitos generales de seguridad

Apéndice A

Nomograma para calcular la estabilidad dentro de la elasticidad de carcasas cilíndricas que operan bajo presión externa

apéndice B

Gráfico para determinar el coeficiente f

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trabajo de término agregado 16/12/2014


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Introducción

Extracción en el sistema líquido-líquido. Conceptos e indicadores básicos

Disolventes orgánicos utilizados en la extracción

Procesos químicos y de transferencia de masa durante la extracción.

Métodos básicos de extracción.

Equipo de extracción moderno

Parte calculada

Limpieza de desagües

Conclusión

Bibliografía

Introducción

La extracción en un sentido amplio se refiere a los procesos de extraer uno o más componentes de soluciones o sólidos usando solventes selectivos. Por lo tanto, en principio, la extracción se puede realizar en sistemas sólido-líquido (por ejemplo, extracción de oro de minerales con soluciones de cianuro) o sistemas líquido-líquido. En hidrometalurgia se suele entender por extracción, o extracción, como un proceso de extracción líquida, que consiste en extraer una sustancia disuelta en un disolvente utilizando otro disolvente que no sea miscible con el primero. Una solución acuosa que contiene un metal de reactivos químicos y un líquido orgánico se utilizan como dos de tales medios líquidos.

Las principales ventajas del proceso de extracción, en comparación con otros procesos para la separación de mezclas líquidas, son:

baja temperatura de funcionamiento (el proceso generalmente se lleva a cabo a temperatura ambiente);

alta tasa de transferencia de masa entre dos fases en contacto (debido al área muy grande de su contacto cuando la fase orgánica se emulsiona en una solución acuosa);

alta selectividad de extractantes, lo que permite separar elementos relacionados y difíciles de separar;

facilidad de separación de dos fases (líquidos inmiscibles con diferentes densidades);

la capacidad de extraer metales de soluciones altamente diluidas;

cualquier limpieza profunda del metal resultante;

la posibilidad de regenerar los reactivos consumidos;

la posibilidad de completa mecanización y automatización del proceso.

Estas circunstancias determinan el uso generalizado de los procesos de extracción en la hidrometalurgia moderna.

Extracción en el sistema líquido-líquido. Conceptos e indicadores básicos

Se adopta la siguiente terminología de extracción. Los dos solventes involucrados en el proceso (acuoso y orgánico) en el estado inicial se denominan "solución inicial" y "extractante". En el momento del contacto (durante la extracción) se denominan fases "acuosas" y "orgánicas", y después de la extracción (sedimentación y separación) - "refinado" y "extracto".

El proceso de extracción consta de las siguientes etapas:

preparación de la solución inicial y extractante (Fig. 1, a);

poner en contacto estas soluciones con emulsificación de las fases orgánica y acuosa (Fig. 1, b, c);

sedimentación y delaminación de estas fases (bien observadas visualmente) (Fig. 1, d);

separación de refinado y extracto (Fig. 1, e).

Figura 1. Diagrama de flujo de proceso para extracción de líquidos. 1 - solución inicial; 2 - extractante; 3 - refinado; 4 - extracto.

Los metales se extraen del extractante saturado con el elemento recuperable (extracto) por el método de reextracción, que consiste en tratar el extracto con una solución acuosa de algún reactivo químico que crea condiciones favorables para la transferencia inversa de metales de la fase orgánica a la fase acuosa. El esquema del proceso de extracción de la tira es similar a los pasos de extracción. En este caso, el reactivo utilizado para extraer una sustancia de la fase orgánica se llama reextractante y el producto resultante se llama reextracción. En consecuencia, el extractante y el extracto son la fase orgánica y el reextractante y el reextracto son acuosos. Casi siempre, después de la reextracción, el extractante se regenera a su estado original, por lo que se le llama extractante regenerado.

Por lo tanto, durante la extracción y el decapado, se aplican las siguientes designaciones de productos a medida que avanza el proceso:

Extracción:

extractante ® fase orgánica ® extracto

solución madre ® fase acuosa ® refinado

Reextracción:

extracto ® fase orgánica ® extractante regenerado

re-extractante ® fase acuosa ® re-extraer.

El producto final del ciclo "extracción - reextracción" es nuevamente una solución acuosa - reextracción. Pero la solución acuosa obtenida como resultado de la reextracción se diferencia de la inicial en que no contiene o contiene solo una pequeña cantidad de impurezas, cuya separación del componente valioso es la principal dificultad en su extracción de la solución. En este caso, el reextracto, a diferencia de la solución original, suele estar enriquecido con metal.

Disolventes orgánicos utilizados en la extracción.

Los compuestos orgánicos se utilizan como extractantes.

Un extractante ideal debe tener las siguientes propiedades:

ser suficientemente selectivo (es decir, extraer selectivamente solo los componentes que nos interesan de las soluciones acuosas que contienen una suma de metales);

tener una alta capacidad de extracción (para absorber una cantidad significativa de un componente extraíble en una unidad de su volumen);

proporcionar una regeneración bastante fácil de implementar del extractante con la extracción de metal de la fase orgánica;

estar seguro durante el trabajo (no tóxico, no volátil, no inflamable);

mantener la estabilidad durante el almacenamiento o en contacto con ácidos y álcalis;

ser lo suficientemente barato.

Encontrar un extractante ideal de este tipo es casi imposible, por lo que generalmente se hace un compromiso.

Teniendo en cuenta que la transferencia de masa juega un papel importante en el mecanismo de separación por extracción, una de las principales propiedades físicas de la fase orgánica es la viscosidad. El conocimiento de las características de la viscosidad, la energía de la interfaz, la densidad del medio es extremadamente necesario para juzgar la cinética del proceso de extracción, no solo en términos de transferencia de masa, sino también desde el punto de vista de la dispersión de fase y la velocidad de sedimentación de las fases líquidas puestas en equilibrio. Sin embargo, los extractantes orgánicos tienden a ser medios bastante viscosos. En este caso, la viscosidad de la fase orgánica aumenta bruscamente con un aumento de su saturación con iones metálicos. Un aumento en la viscosidad de la fase orgánica por encima de un cierto límite puede ralentizar drásticamente el proceso de extracción. Por lo tanto, a veces no es práctico lograr una saturación significativa del extractante con metales. Pero incluso si la posible saturación del extractante es limitada, en algunos casos es necesario reducir artificialmente la viscosidad de la fase orgánica.

Además, para una buena separación de fases después de la extracción, es necesario tener una diferencia suficiente en las densidades de estas fases, es decir, el extractante debe ser mucho más ligero que una solución acuosa. Por lo tanto, en la práctica, el extractante rara vez se usa en su forma pura; generalmente se diluye con un solvente orgánico barato para reducir su viscosidad y densidad. Este disolvente auxiliar es generalmente inerte y no participa en el proceso de extracción. En tal sistema de dos disolventes orgánicos, el compuesto orgánico que participa en las reacciones de extracción química se llama reactivo de extracción y el disolvente del reactivo de extracción se llama diluyente. Toda la solución orgánica es un extractante. Cabe señalar que el diluyente se usa no solo para reducir la viscosidad y densidad de la fase orgánica, sino también para disolver los productos resultantes durante la reacción de extracción.

Los tipos de disolventes orgánicos más utilizados son:

hidrocarburos y sus derivados halogenados;

Hidrocarburos y sus derivados del cloro se utilizan con mayor frecuencia como diluyentes para reactivos de extracción. Debido al hecho de que los hidrocarburos son sustancias con alta volatilidad, inflamabilidad y toxicidad, solo un número limitado de ellos son adecuados para uso industrial. Los más utilizados: benceno C 6 H 6; tolueno o metilbenceno CH 3 C 5 H 5; queroseno; combustible diesel; hexano (C 6 H 4), octano (C 8 H | 8), gasolina. De los derivados del cloro a partir de hidrocarburos, los más utilizados son el tetracloruro de carbono CCl 4, el cloroformo CHCl 3 y el diclorometano CH 2 Cl 2. A veces se utilizan derivados de cloro como extractantes de compuestos inorgánicos (por ejemplo, CCl 4 o CHCl 3 se extraen con GeCl 4).

Extractantes oxigenados se subdividen en compuestos que no contienen y contienen grupos formadores de sal. Los disolventes orgánicos que contienen oxígeno sin grupos formadores de sal se utilizan como extractantes para la extracción de haluros, nitratos, tiocianatos y otras sales metálicas. Estos incluyen alcoholes ROH, ésteres ROR, ésteres R-OCO-R, cetonas R-COR, d-cetonas RCOCH 2 COR (donde R es un radical orgánico). La extracción se lleva a cabo con éxito en soluciones fuertemente ácidas, en las que es posible la formación de sales de oxonio, o en soluciones con baja acidez, pero en presencia de agentes de sales. Cuando se usan alcoholes, éteres, cetonas, se observa la formación de un solvato, por ejemplo, de acuerdo con el esquema: mROR + nМеСl 3 + pHCl \u003d mROR × nМеСl 3 × рHCl. Además, el índice de acidez afecta fuertemente el curso de este proceso.

De los éteres, el éter dietílico C 2 H 5 OS 2 H 5 y su derivado de cloro son los más utilizados: clorex ClC 2 H 4 OS 2 H 4 Cl o (C 2 H 4 Cl) 2 O. El clorex es una base y extractos extremadamente débiles solo ácidos muy fuertes. Se utiliza, por ejemplo, en la extracción de ácido cloroáurico a partir de soluciones de ácido clorhídrico en el ciclo de refinación de metales preciosos.

De alcoholes alifáticos (acíclicos) (ROH, donde R es C n H (2p + 1)), butilo (C 4 H 9 OH), amilo (C 5 H 11 OH), isoamilo, hexilo (C 6 H 13 OH) se utilizan , caprílico (C 7 H 15 OH), octilo (C 8 H 17 OH), nonilo (C 9 H 19 OH), una mezcla de alcoholes C 7 - C 9 y decilo (C 10 H 21 OH). De los alcoholes acíclicos (que contienen anillos en las moléculas, anillos de tres o más átomos de carbono), el ciclohexanol C 11 H 11 OH es el que se usa con mayor frecuencia. De los alcoholes aromáticos (que contienen ciclos en moléculas - núcleos de benceno), se usa a-naftol y a, a '-naftoles .

Cuando se utilizan disolventes orgánicos que contienen oxígeno con grupos formadores de sales (ácidos carboxílicos RCOOH), los compuestos insolubles en agua (jabones) se forman como resultado de la extracción no de sales o sus complejos ácidos, sino de cationes metálicos. Los ácidos carboxílicos tienen una estructura dimerizada .

Esta dimerización persiste durante la extracción, es decir, se forma la sal orgánica M (HR 2) 2. La extracción con ácidos carboxílicos se lleva a cabo habitualmente a un pH que es 0,5 menos que el pH de la hidrólisis de la sal metálica inorgánica de partida. Un tipo similar de extracción que usa ácidos grasos C n H 2 n +1 COOH se usa, por ejemplo, en hidrometalurgia de cobalto para purificar soluciones que contienen cobalto de impurezas.

o directamente (enlace RS, compuestos organofosforados):

donde R es un radical alquilo (СnН 2 n +), cicloalquilo o arilo (residuo de hidrocarburo aromático monovalente).

El más estudiado es la capacidad de extracción de ésteres intermedios de ácidos fosfórico, fosfónico y fosfínico, así como de óxidos de fosfinas sustituidas. La extracción con todos estos reactivos se realiza sobre la base de la capacidad donante-aceptor del fosforil oxígeno - P \u003d O, que aumenta en la serie:

En consecuencia, la capacidad de extracción de estos compuestos también aumenta en la misma dirección. De los ésteres medios de ácido fosfórico, el más utilizado como extractante es el fosfato de tributilo TBP ((C 4 H 9 O) 3 PO), que se utiliza en la hidrometalurgia de metales radiactivos (por ejemplo, en la producción de combustible nuclear, en particular, en la extracción de nitrato de uranilo), en la hidrometalurgia de raros metales (niobio, tantalio, circonio, etc.). Los dialquilalquilfosfinatos DAAP (R 1 P (O) (OR 2) 2) se utilizan en la extracción de escandio a partir de ácido clorhídrico, niobio, tantalio y otros elementos de tierras raras.

De extractantes que contienen nitrógeno las más utilizadas para fines de extracción son las aminas de diversos grados de sustitución (obtenidas al reemplazar los protones de amoníaco con un radical orgánico): primarias, secundarias , bases de amonio terciario y cuaternario (PAO): R 4 NOH. Muchas sales de aminas primarias, secundarias y terciarias con radicales alquilo normales C n H 2 n +1 (alquilaminas) son poco solubles en hidrocarburos líquidos, mejor en aromáticos (\u003e 0,1 mol / l).

Para la extracción de cobre, níquel y cobalto, se han propuesto mezclas de a - hidroximas de fórmula general, donde R y R 'son un radical; R '' es un radical o un átomo de hidrógeno.

Extractores que contienen azufre. Debido a la menor capacidad donante de electrones del átomo de azufre, en comparación con el átomo de oxígeno, la sustitución de oxígeno por azufre en los correspondientes compuestos orgánicos que contienen oxígeno (éteres, alcoholes, etc.) conduce a una disminución de las propiedades de extracción de los compuestos orgánicos que contienen azufre (tioésteres R 2 S; tioalcoholes RSH; tioácidos ,; ditioácidos, etc.).

Sin embargo, una disminución de la basicidad de los tiocompuestos puede conducir a una mayor selectividad de extracción, por lo que los extractantes orgánicos que contienen azufre son de particular interés. Los sulfuros orgánicos (tioéteres) son extractantes bastante eficaces. Por ejemplo, el sulfuro de diisobutilo (iC 4 H 9) 2 S extrae bien el cloruro férrico de las soluciones de ácido clorhídrico en forma de HFeCl 4, como el habitual éter dibutilo (C 4 H 9) 2 O que contiene oxígeno.Como se aplica a los ácidos inorgánicos y las sales de uranio, los óxidos se probaron como extractantes sulfuros de dialquilo obtenidos por oxidación de los sulfuros de dialquilo correspondientes con peróxido de hidrógeno en ácido acético CH 3 COOH. De interés práctico en hidrometalurgia son los ácidos sulfónicos R-SO 3 H (o), que son extractantes de intercambio catiónico. Los hidrocarburos sulfonados se recomiendan para la extracción industrial de níquel y cobalto a partir de soluciones acuosas con una concentración de metal de 0,5 a 10 g / l.

Procesos químicos y de transferencia de masa durante la extracción.

La separación de sustancias en el proceso de extracción se basa en la diferencia de distribución entre dos líquidos inmiscibles. En el caso más simple, cuando la sustancia a extraer en ambas fases tiene la misma forma (la denominada distribución física), aplicamos la ley de Nernst:

,

donde K d es una constante de distribución. La constante de distribución K d no depende de la concentración de la sustancia extraíble en la fase acuosa y en una proporción constante fija de volúmenes de fases en contacto (P: E) a una temperatura dada permanece constante tanto para soluciones ricas como pobres. Por tanto, en varios ciclos sucesivos del proceso, se puede lograr un grado de extracción o purificación arbitrariamente profundo.

Sin embargo, la ley de distribución en su forma clásica no es aplicable a la mayoría de los sistemas de extracción reales, ya que una sustancia puede interactuar con un disolvente en ambas fases, la sustancia también puede extraerse en forma de varios tipos de compuestos, un cambio en la solubilidad mutua de fases bajo la influencia de sustancias extraídas, etc. Por tanto, para caracterizar la distribución de una sustancia se suele utilizar el coeficiente de distribución

donde C x O y C x B son, respectivamente, las concentraciones analíticas totales de la sustancia extraída en todos los compuestos en las fases orgánica y acuosa.

Dado que la extracción se lleva a cabo no tanto para la extracción de metal de soluciones puras, sino para la separación selectiva de un elemento valioso de las soluciones que contienen la suma de impurezas, se utiliza otro indicador, que se denomina factor de separación:

.

Es decir, es la relación de los coeficientes de distribución de las dos sustancias. Para las condiciones de separación, es imperativo tener la desigualdad D Me1 ¹ D Me 2. La mejor separación ocurre cuando D Me1 \u003e\u003e D Me2. En este caso, cuanto más cerca esté S de la unidad, mayor será el número de etapas de extracción necesarias. Al calcular el valor del factor de separación, se acostumbra colocar un coeficiente de distribución mayor D Me en el numerador, por lo tanto, siempre S ³ 1.

Como en cualquier proceso hidrometalúrgico, un indicador importante de extracción es la cantidad de metal recuperado (o porcentaje de extracción):

,

donde V 0 y V B - respectivamente el volumen de la fase orgánica y la solución acuosa. El coeficiente de distribución D y el grado de extracción E son valores interrelacionados:

.

Muy a menudo, la extracción de metales de la fase acuosa a la orgánica se lleva a cabo de tres formas:

Extracción por intercambio catiónico: extracción de metales en soluciones de yodo en forma de cationes, ácidos orgánicos o sus sales. El mecanismo de extracción consiste en el intercambio del catión extraído por H + u otro catión del extractante.

Extracción por intercambio aniónico: extracción de metales en soluciones acuosas en forma de aniones, sales de bases orgánicas. La extracción se produce debido al intercambio del anión que contiene metal por el anión del extractante.

Extracción por coordinación, en la que el compuesto extraíble se forma como resultado de la coordinación de una molécula o ión del extractante directamente al átomo (ión) del metal extraído, como resultado de lo cual el metal y el extractante están en la misma esfera del complejo extraíble.

Los compuestos de coordinación o complejos son aquellos que tienen un átomo o ión central rodeado por un número específico de iones o moléculas llamadas ligandos.

El número de enlaces químicos (de coordinación) entre el átomo o ión central (agente complejante) y los ligandos se denomina número de coordinación. Los enlaces de coordinación a menudo tienen un carácter donante-aceptor, es decir, se forman cuando el átomo donante tiene un par de electrones solitarios (libres) que se une al átomo aceptor. Al formar, por ejemplo, un ion complejo (NH 4) +:

,

el nitrógeno, que tiene un solo par de electrones en la molécula de NH 3, es un donante y un ion hidrógeno es un aceptor.

Los ligandos son aniones de ácidos inorgánicos, ácidos orgánicos y moléculas neutras (por ejemplo, H 2 O), y la formación de iones complejos se puede representar como el desplazamiento de las moléculas de agua que rodean (hidratan) el ion por otro ligando. Los ligandos, dependiendo del número de átomos que forman un enlace de coordinación, pueden ser monodentados, bidentados, etc.

Los ligandos polidentados (bidentados y más) forman complejos cíclicos, es decir, el ión extraído está rodeado por varias moléculas de un extractante orgánico.

El átomo central y los grupos coordinados (ligandos) forman la esfera de coordinación interna del complejo, un ion complejo. Los iones positivos o negativos que compensan la carga del ión complejo forman la esfera exterior del compuesto complejo.

Extracción de intercambio catiónico

Este tipo de extracción se puede describir generalmente mediante la ecuación

donde Me es un metal con valencia z;

R es un residuo ácido de un ácido orgánico. Los extractantes de intercambio catiónico comunes son ácidos grasos del tipo RСООН (por ejemplo, ácidos carboxílicos) con el número de átomos de carbono en el radical R de siete a nueve (C 7 - C 9) y ácidos nafténicos:

Los ácidos nafténicos se obtienen del petróleo crudo; su peso molecular varía de 170 a 330. A menudo se utilizan ácidos alquil fosfóricos, en particular derivados del ácido ortofosfórico - alquil ortofosfatos. Si en el ácido ortofosfórico (H 3 PO 4) se reemplazan dos iones hidrógeno por radicales orgánicos, se obtienen productos denominados dialquil ortofosfatos, por ejemplo ácido di- (2-etilhexil) -fosfórico (D2EHPA).

Un tipo de extracción de intercambio catiónico es la extracción con extractantes complejantes (quelantes) mono, bi y polidentados como las oximas, compuestos que contienen el grupo (\u003d N-OH). En este caso, la extracción se produce como resultado del intercambio iónico y la coordinación del extractante con el átomo (ión) del metal extraído con la formación de compuestos intracomplejos.

Extracción de intercambio aniónico

Los extractantes de intercambio aniónico pertenecen a la clase de aminas, que son derivados del amoniaco NH 3. Dependiendo del número de átomos de hidrógeno sustituidos en el amoníaco por radicales hidrocarbonados se obtienen aminas primarias, secundarias o terciarias:

R es un radical hidrocarbonado que contiene de 7 a 9 (a veces hasta 16) átomos de carbono.

En las aminas, el nitrógeno tiene un solo par de electrones, lo que determina la propiedad de estos extractantes para formar compuestos de coordinación.

Las sales de amina formadas durante el tratamiento con ácido pueden intercambiar el anión ácido por aniones que contienen metales, por ejemplo

En un medio alcalino, las aminas pueden no estar en forma de sales capaces de intercambiar aniones, sino en forma de moléculas neutras, por lo que se usan solo en ambientes ácidos.

Las aminas más utilizadas son el recolector de ANP: amina primaria, dilaurilamina (amina secundaria) y trioctilamina (amina terciaria).

Además de la extracción por el tipo de intercambio aniónico, la extracción con aminas a veces conduce a la incorporación de una amina en la esfera de coordinación interna del complejo extraído anona con la formación de fuertes enlaces metal-nitrógeno (que es típico, por ejemplo, para los metales del platino). Los compuestos intracomplejos resultantes son muy fuertes, por lo que el proceso de transferencia inversa del metal de la fase orgánica a la fase acuosa (reextracción) es difícil.

Otra clase de extractores de intercambio aniónico son las bases de amonio cuaternario (QAM) y sus sales (QAS). ChAO son derivados del ion amonio (NH 4) +:

,

donde R es un radical hidrocarbonado.

Los QAC más comúnmente utilizados son el cloruro de trialquilbencilamonio, abreviado como TABAC, cloruro de trialquilmetilamonio (CH 3 R 3 N) Cl - TAMAX, cloruro de tetraalquilamonio (R 4 N) Cl - TAAX. R - C n H 2 n +1, donde n \u003d 8 - 10.

QAC extrae metales solo por el tipo de reacción de intercambio aniónico:

donde z es la carga del anión MeX que contiene metal;

m es la carga del anión QAC;

Y - anión HORA.

QAC es capaz de extraer sales que contienen metales no solo de soluciones ácidas, sino también alcalinas.

Las sales de aminas y QAC en algunos casos tienen una solubilidad limitada en diluyentes de uso común (queroseno, hidrocarburos). Para mejorar la solubilidad, se agregan alcoholes orgánicos (por ejemplo, decilo) a la fase orgánica; sin embargo, concentraciones altas de alcohol (más del 10%) usualmente perjudican la extracción debido a la interacción con el extractante.

Métodos básicos de extracción.

Se utilizan principalmente los siguientes métodos de extracción: extracción simple, extracción múltiple con flujo cruzado y flujo de solvente en contracorriente, extracción en contracorriente continua. La industria más extendida es la extracción con un disolvente, aunque también se utiliza la extracción con dos extractores.

Extracción simple (una etapa). Este método de realización de la extracción consiste en que la solución inicial F y el extractante S se mezclan en un mezclador, tras lo cual se separan en dos capas en el decantador: extracto E y refinado R. Se suele considerar que el equilibrio de fases se establece en el mezclador debido a un mezclado intensivo y un tiempo de contacto suficiente. , es decir, una única extracción permite alcanzar una eficiencia correspondiente al nivel teórico de cambio de concentración. El grado de extracción con este método de realizar la extracción se puede incrementar aumentando el suministro de extractante al aparato, pero esto conducirá a una disminución en la concentración del extracto y aumentará el costo del proceso.

El proceso se puede realizar tanto de forma periódica como continua. Con la organización periódica del proceso, la etapa de separación del extracto y el refinado se puede realizar en un mezclador. En este caso, no es necesario un sumidero.

Extracción por solvente de flujo cruzado múltiple. Al realizar la extracción según este método (Fig.2), la solución inicial F y los correspondientes refinados se tratan con una porción del extractante fresco S 1, S 2, etc. en cada etapa de extracción, que consta de un mezclador y un decantador (los tanques de sedimentación no se muestran en la Fig.2), y los refinados se envían secuencialmente a las siguientes etapas, y los extractos E 1, E 2 de cada etapa se retiran del sistema. Con este método de extracción, la solución inicial F entra en la primera etapa y el refinado final R n se toma de la última, n-ésima etapa.

Figura: 2. Esquema de extracción múltiple con flujo cruzado de solventes (1, 2,3,…, n - pasos).

Mediante este método, el componente distribuido se puede eliminar prácticamente por completo de la solución inicial y se puede obtener un refinado puro. Sin embargo, en este caso, la pérdida del solvente contenido en la solución original es inevitable, ya que en cada etapa se produce una eliminación parcial de este solvente con el extracto.

Extracción por solvente múltiple a contracorriente. Este método de realizar la extracción se caracteriza por el contacto repetido en las etapas 1, 2, etc. con flujo en contracorriente de refinado R y extracto E (Fig. 3) siempre que la solución inicial F y el extractante S se suministren desde extremos opuestos de la instalación. Dado que el método de realizar la extracción con el movimiento en contracorriente del solvente permite obtener productos de una calidad determinada con una productividad suficientemente alta de la instalación, este método de extracción es muy utilizado en la industria.

Figura: 3. Esquema de extracción múltiple con movimiento de solvente en contracorriente (1,2, ..., n-1. N - etapas).

Extracción en contracorriente continua. Este método de extracción se realiza en un aparato tipo columna (por ejemplo, empacado). La solución más pesada (por ejemplo, el original) se alimenta continuamente a la parte superior de la columna (Fig. 4), desde donde fluye hacia abajo.

Un líquido ligero (en nuestro caso, un disolvente) entra por la parte inferior de la columna, que sube por la columna. Como resultado del contacto de estas soluciones, la sustancia a distribuir se transfiere de la solución inicial al extractante. Este método de extracción se utiliza a menudo en la industria.

Extracción de reflujo en contracorriente.Si se requiere una separación más completa de la solución inicial, la extracción se puede realizar a reflujo por analogía con el proceso de rectificación (Fig. 5). En este caso, la mezcla inicial F se alimenta a la parte media del aparato (a la etapa de alimentación). Tras la regeneración del extracto en el regenerador 2, una parte del producto R 0 obtenido se devuelve en forma de reflujo al aparato 1, y la otra parte se toma en forma de componente B. Es obvio que las composiciones de las soluciones R 0 y B son las mismas. Así, la unidad 2 de la planta de extracción es análoga a la unidad de reflujo de la unidad de rectificación.

Figura: 5. a) (izquierda) esquema de extracción en contracorriente con reflujo: 1 - aparato de extracción; 2 - aparatos para la regeneración de extractos; b) esquema de extracción con dos disolventes: 1 - aparato de extracción; 2 - Aparato para la regeneración de extractos.

La corriente de reflujo R 0, al entrar en contacto con la corriente de extracto, expulsa de este último disolvente inicial A parcial o totalmente disuelto, que finalmente pasa al refinado, como resultado de lo cual aumenta el grado de separación y el rendimiento del refinado.

Cabe señalar que la extracción con reflujo, mejorando la separación de la solución inicial, conduce a un aumento en el consumo del extractante y el volumen del aparato, lo que incrementa el costo de este proceso. Por lo tanto, la elección de la cantidad de flema debe basarse en un cálculo técnico y económico.

Extracción con dos disolventes.Si la solución inicial contiene dos o más componentes que deben extraerse por separado o en grupos de varios componentes, entonces se utiliza la extracción con dos disolventes inmiscibles (Fig. 5, b). Los disolventes se seleccionan de tal manera que cada uno de ellos disuelve preferentemente un componente o un grupo de componentes. La mezcla inicial F, que consta de los componentes A y B, se introduce en la parte central del aparato 1. El extractante S, (más pesado que S 1), que disuelve selectivamente el componente A, entra en la parte superior del aparato 1, y el extractante S 1, que disuelve selectivamente el componente B, - hasta su fondo.

La extracción con dos disolventes se suele utilizar para separar sustancias con una solubilidad similar. Para implementar este método, se requiere un consumo relativamente grande de extractantes, lo que aumenta significativamente el costo del proceso.

extracción de disolventes orgánicos intercambio catiónico

Equipo de extracción moderno

Según el principio de interacción o el método de contacto de fase, los extractores se dividen en dos grupos: paso y contacto diferencial. Dentro de estos grupos, los extractores a menudo se subdividen en gravitacionales (la velocidad de fase en ellos está determinada por la diferencia en las densidades de estas fases) y mecánicos (cuando la energía fluye desde el exterior se agrega mediante agitación mecánica, la acción de la fuerza centrífuga, un pulsador de pistón, etc.). En casi cualquiera de los aparatos de los grupos anteriores, para aumentar la superficie de contacto de las fases, una de las fases se dispersa de diversas formas y se distribuye en la otra fase continua en forma de gotas. Después de cada mezcla de las fases en el aparato, sigue la separación de estas fases, que es necesaria, en primer lugar, para la regeneración del extractante (bajo la acción de fuerzas gravitacionales o centrífugas). Tenga en cuenta también que en la industria, se suelen utilizar extractores de acción continua.

Extractores escalonados.Los extractores de este grupo constan de etapas discretas, en cada una de las cuales hay un contacto de fases, después de lo cual se separan y se mueven en contracorriente a etapas posteriores. En la Fig. 6 muestra un diagrama de una instalación de una etapa (a) y de varias etapas (byc) de uno de los tipos más comunes de extractores de etapa: mezcla-decantación.

Figura: 6. Esquemas de instalaciones de una etapa (a) y de múltiples etapas (b, c) de extractores de mezcla y decantación: 1 - mezcladores; 2 - sumidero; 3 - bombas.

Las ventajas de los extractores de mezcla y sedimentación incluyen su alta eficiencia (la eficiencia de cada etapa puede acercarse a una etapa de separación teórica), la capacidad de cambiar rápidamente el número de etapas, la idoneidad para operar en amplios rangos de cambios en las propiedades físicas y la relación de fase volumétrica, escalado relativamente fácil, etc. Desventajas Estos extractores tienen una gran área de producción ocupada, la presencia de mezcladores con accionamientos individuales, grandes volúmenes de cámaras de sedimentación por gravedad.

Los extractores de mezcla y sedimentación de alta productividad (hasta 1500 m 3 / h) se utilizan en hidrometalurgia, tecnología del uranio y en varias otras industrias de gran tonelaje.

Extractores de contacto diferencial.Los extractores de este grupo se distinguen por el contacto continuo entre las fases y un cambio suave de concentración a lo largo de la altura del aparato. En tales extractores (a diferencia de los escalonados), no se logra el equilibrio entre las fases sobre la sección del aparato. Los extractores de contacto diferencial son más compactos que los extractores escalonados y ocupan un área de producción más pequeña.

En los extractores por gravedad, el movimiento de las fases se produce debido a la diferencia en sus densidades. Los extractores por gravedad incluyen columnas de pulverización, columnas empaquetadas y columnas de bandeja.

Figura: 7. Extractores de columna hueca (pulverización): a - con pulverización de fase pesada; b - con pulverización de fase ligera; 1 - extractores; 2 - aspersores; 3 - esclusas de agua; 4 - interfaces de fases.

Los representantes de diseño más simples de los extractores por gravedad son las columnas de pulverización (Fig. 7). Una ventaja importante de los extractores por aspersión es la capacidad de procesar líquidos contaminados en ellos. A veces, estos dispositivos se utilizan para la extracción de pulpa.

Los extractores empaquetados (Fig. 8), que tienen un diseño similar a los absorbentes empaquetados, se utilizan ampliamente en la industria.

Figura: 8. Extractor embalado: 1 - embalaje; 2 - distribuidor; 3 - tanques de sedimentación; 4 - sello de agua; Interfaz de 5 fases.

Los anillos Raschig se utilizan a menudo como accesorios 1, así como accesorios de otros tipos. El empaque se coloca sobre las rejillas de soporte en secciones, entre las cuales se mezclan las fases. Una de las fases (en la Fig. 8 - el extractante) se dispersa usando un distribuidor 2 en el flujo de fase continua (solución inicial). En la capa de empaque, las gotas pueden fusionarse y luego romperse muchas veces, lo que aumenta la eficiencia del proceso. La elección del material de embalaje es muy importante. Preferiblemente debe ser humedecido por la fase continua, ya que esto elimina la posibilidad de coalescencia indeseable de gotas y la formación de una película en la superficie del empaque, lo que conduce a una fuerte disminución en la superficie de contacto de las fases. Tenga en cuenta que los empaques de cerámica y porcelana se humedecen mejor con la fase acuosa que con la fase orgánica, y el empaque de plástico generalmente se humedece mejor con la fase orgánica. La separación de fases en columnas empaquetadas se produce en las zonas de sedimentación 3, que a menudo tienen un diámetro mayor que el diámetro del extractor, para una mejor separación de fases.

Los extractores mecánicos incluyen extractores de contacto diferencial con el suministro de energía externa a las fases de contacto.

Uno de los extractores mecánicos más comunes en la técnica es el extractor de disco rotatorio. Los extractores rotativos se diferencian principalmente en el diseño de los dispositivos de mezcla. Entonces, en lugar de discos lisos, se utilizan varios tipos de mezcladores, a veces las secciones se llenan con una boquilla, etc. Las principales ventajas de los extractores rotativos son la alta eficiencia de transferencia de masa, baja sensibilidad a las impurezas sólidas en fases, la capacidad de crear dispositivos de alta potencia unitaria, etc.

Al mismo tiempo, los extractores rotativos tienen un serio inconveniente: el llamado efecto a gran escala, es decir un aumento significativo de EEP con un aumento en el diámetro del aparato. La razón de este fenómeno radica en la desigualdad del campo de velocidad a lo largo de la altura y la sección transversal del aparato, en la formación de zonas estancadas, evitando, contribuyendo a la mejora de la mezcla longitudinal y la interrupción de la estructura uniforme de flujos en el aparato.

La eficiencia del proceso de transferencia de masa durante la extracción se puede incrementar debido a la pulsación de fase. En los extractores de pulsaciones, existen dos métodos principales para impartir pulsaciones a los líquidos. Según el primer método, las pulsaciones en el extractor de columna son generadas por un mecanismo externo (pulsador) hidráulicamente, según el segundo - mediante vibración de placas perforadas montadas en una varilla común, que se comunica con movimiento alternativo.

El uso de pulsaciones en el proceso de extracción promueve una mejor dispersión del líquido, una renovación intensiva de la superficie de contacto de la fase y un aumento del tiempo de residencia del líquido disperso en el extractor. Los más extendidos en tecnología son los extractores de impulsos compactos y de disco tamizado.

El extractor pulsante (Fig. 9.) es una columna con platos de cribado sin ramales para el desbordamiento de la fase continua. En la columna, con la ayuda de un mecanismo especial (pulsador) del líquido, se comunican pulsaciones: vibraciones de pequeña amplitud (10-25 mm) y una cierta frecuencia. Como pulsador, se utiliza con mayor frecuencia una bomba de pistón sin válvula, conectada a la parte inferior de la columna (Fig. 9, a) oa la línea de suministro de líquido ligero (Fig. 9, b). Cuando se imparten pulsaciones al líquido, se produce una dispersión fina múltiple de una de las fases, lo que conduce a una intensa transferencia de masa. Además de los extractores de tamices, también se utilizan columnas de pulsación empaquetadas.

En otros tipos de aparatos de extracción también se puede usar un método eficaz para intensificar el proceso de extracción impartiendo pulsaciones al líquido.

Para separar de manera confiable el mecanismo pulsador del medio de trabajo cuando se procesan sustancias químicamente agresivas y radiactivas, se utiliza una membrana (Fig.9, c), un fuelle (Fig.9, d) o un dispositivo neumático (Fig.9, e). En el último caso, se coloca una capa amortiguadora de aire entre el pistón del pulsador y la columna, que se expande y contrae alternativamente, impartiendo vibraciones de fluido en la columna.

Figura: 9. Extractores de tamices pulsantes (A - fase pesada, B - fase ligera): a - el pulsador está unido al fondo de la columna; b - el pulsador está conectado a una tubería para suministrar un líquido ligero; c - las pulsaciones se transmiten a través de la membrana; d - las pulsaciones se transmiten a través del fuelle; e - las pulsaciones se transmiten a través de la capa amortiguadora de aire (colchón de aire).

Los extractores de pulsaciones son altamente eficientes, permiten la extracción sin contacto del personal operativo con los líquidos procesados, lo cual es muy importante si los líquidos son radioactivos o tóxicos.

En la práctica mundial, se utilizan columnas pulsantes perforadas con un diámetro de hasta 3 my columnas empaquetadas con un diámetro de hasta 2 m.

Las desventajas de las columnas pulsantes incluyen grandes cargas dinámicas en los cimientos, mayores costos operativos y la dificultad de manejar sistemas fácilmente emulsionables.

Parte calculada

Tarea 1. Cálculo del consumo requerido del extractante en un extractor en contracorriente de funcionamiento continuo del tipo "mezclador-decantador".

Determinar: consumo volumétrico (V E, m 3 / s) y masa (G, kg / s) de extractante.

Componemos la ecuación del balance de materia de extracción:

Determinación del caudal volumétrico del extractante:

3. Determinación del caudal másico del extractante:

Tarea 2. Cálculo del número requerido de etapas de extracción al extraer de una solución de Molibdeno con una solución 0.3M de D2EHPA.

5. Cálculo del número teórico requerido de etapas de extracción:

El resultado se redondea al número entero más cercano.

(pasos)

Tarea 3. Cálculo de la eficiencia del proceso de extracción de la sal Me (en un extractor del tipo "mezclador-decantador").

Caudal volumétrico del extractante
Diámetro del agitador de turbina de 6 palas
Velocidad de rotación del agitador
Viscosidad de solución acuosa
Viscosidad del extractante
Tensión interfacial
Coeficiente de distribución
Volumen de extractante
Retención del extractante en el extractor
Función de potencia del agitador
Densidad del extractante
Densidad de la solución acuosa

Determinar: eficiencia de extracción.

Determinación de la densidad de la mezcla:

Cálculo del diámetro de la gota:

metro

Cálculo de la duración media del contacto de fase:

desde

Cálculo de la eficiencia de extracción:

Limpieza de desagües

Un ejemplo de tratamiento de extracción de aguas residuales puede ser la eliminación de fenoles en las industrias de procesamiento de subproductos de coque, pizarra bituminosa y carbón; de anilina; de ácido acético; de epiclorhidrina en la industria química con disolventes orgánicos (benceno, éteres y ésteres).

En la extracción de aguas residuales fenólicas, se utiliza acetato de butilo, éter diisopropílico, benceno, etc. como extractante. Para aumentar la eficiencia de la extracción de fenol, se propone utilizar disolventes mixtos: acetato de butilo mezclado con alcohol butílico, éter diisopropílico, etc. Sin embargo, el acetato de butilo o una mezcla de acetato de butilo se utiliza con mayor frecuencia. con acetato de isobutilo (fenosolvan), que tienen una alta capacidad extractora de fenoles.

Las instalaciones para la extracción de aguas residuales a partir de fenoles incluyen cuatro secciones: 1) preparación de aguas residuales fenólicas para extracción - separación de resinas por sedimentación y filtración, enfriamiento de aguas residuales, recuperación de vapor de solvente y, si es necesario, carbonización; 2) extracción; 3) regeneración del extractante del agua; 4) regeneración del disolvente a partir del extracto y producción de fenoles comerciales.

Se pueden utilizar varios disolventes (benceno, ésteres, aceite de absorción, etc.) para el tratamiento de extracción de aguas residuales de plantas químicas de coque, sin embargo, el más extendido es el benceno obtenido por carbón coquizable. Debido al hecho de que el coeficiente de distribución del benceno en relación con el fenol es pequeño (aproximadamente 2,2 a 20 ° C), se utilizan volúmenes significativos de benceno y la concentración de fenoles en el extracto es baja. Por lo tanto, para la regeneración de benceno, no se utilizan métodos de destilación, sino el método de absorción con una solución acuosa de álcali (método de benceno-fenolato).

El método de purificación de benceno-fenolato incluye las siguientes etapas: 1) desmineralización del agua por sedimentación, filtración y lavado con benceno circulante; 2) extracción de fenoles de aguas residuales con benceno; 3) purificación del benceno de los gases ácidos solubles en él mediante lavado con una solución de fenolato alcalino; 4) extracción de fenoles del benceno con una solución alcalina; 5) separación del benceno disuelto de las aguas residuales desfenólicas. Las soluciones de fenolatos resultantes, después de una evaporación preliminar, se envían para su procesamiento.

Algunas plantas de coque utilizan acetato de butilo, fenosolvan, aceite de carbón, etc. como extractantes.

Los métodos de extracción para la desfenolización de aguas residuales tienen grandes ventajas: alta eficiencia de purificación, capacidad para extraer fenoles no volátiles, etc.

Conclusión

La principal ventaja del proceso de extracción en comparación con otros procesos para la separación de mezclas líquidas (rectificación, evaporación, etc.) es la baja temperatura de funcionamiento del proceso, que se lleva a cabo con mayor frecuencia a temperatura normal (ambiente). Esto elimina la necesidad de consumir calor para la evaporación de la solución. Al mismo tiempo, el uso de un componente adicional: un extractante y la necesidad de su regeneración conduce a una cierta complicación del diseño del hardware y un aumento en el costo del proceso de extracción.

Cuando se extraen sustancias volátiles, la extracción puede competir con éxito con la rectificación en los casos en que la separación por rectificación es difícil y, a veces, prácticamente imposible (separación de mezclas que constan de componentes cercanos al punto de ebullición y mezclas azeotrópicas), o está asociada con costos excesivamente altos (extracción de impurezas nocivas o valiosas sustancias de soluciones altamente diluidas).

La extracción es indispensable para separar mezclas de sustancias sensibles a temperaturas elevadas, por ejemplo antibióticos, que pueden descomponerse cuando se separan por rectificación o evaporación. El uso de la extracción a menudo le permite reemplazar de manera efectiva procesos como la separación de sustancias de alto punto de ebullición usando alto vacío, como la destilación molecular, o la separación de mezclas por cristalización fraccionada.

El uso de la extracción para la separación de mezclas de sustancias inorgánicas es muy prometedor cuando otros métodos de separación no son aplicables. Los procesos de extracción de líquidos se utilizan actualmente con éxito para el procesamiento de combustible nuclear, para la producción de circonio y hafnio y muchos otros metales raros. Se pueden obtener metales no ferrosos y nobles de alta pureza mediante extracción.

En algunos casos, se logra un efecto significativo cuando la extracción se combina con otros procesos de separación. Ejemplos de tales procesos combinados son: separación de mezclas azeotrópicas y de bajo punto de ebullición mediante rectificación extractiva, concentración preliminar de soluciones diluidas mediante extracción antes de la evaporación y rectificación, que se realizan con menor consumo de calor.

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Objetivo:Adquisición de habilidades en el cálculo de procesos y dispositivos para la extracción del tratamiento de aguas residuales.

Parte introductoria.

La extracción es la extracción selectiva de un componente de un líquido (refinado) utilizando un solvente líquido (extractante). La fase que se enriquece con el contaminante se llama extractante antes del contacto y extracto después del contacto.

Una de las condiciones para el proceso de extracción es la insolubilidad mutua y una diferencia suficiente en las densidades de las fases (refinado y extractante).

La extracción de líquidos consta de una serie de operaciones tecnológicas:

Poner en contacto el líquido a limpiar con el extractante;

Transferencia de un componente de una fase a otra;

Separación de fases;

Regeneración de extractantes.

Los extractores son horizontales y verticales, continuos e intermitentes, monoetapa y multietapa, de flujo cruzado y contraflujo, con suministro de energía mecánica (por contacto de fase) y sin suministro de energía mecánica, etc.

El tipo más simple de extractor es una columna de aspersión vertical con contacto de fase continua (Figura 2.1). Las aguas residuales se introducen en una columna cilíndrica vertical hueca desde arriba y se rocía un extractante (en forma de gotas) desde abajo utilizando un dispersante, cuya densidad es menor que la del agua. El movimiento en contracorriente de las fases lo proporciona la gravedad, es decir diferencia en la densidad de fase (fuerza motriz). Las gotas resultantes pasan por el área de trabajo, extraen el contaminante y se acumulan en el sumidero superior.

La eliminación de la fase ligera de la zona de sedimentación superior no causa dificultades, el exceso de líquido se drena a través del ramal. La extracción de la fase pesada requiere un ajuste especial, de lo contrario, todo el líquido puede derramarse desde el fondo. El dispositivo más simple es el vaso florentino, cuyo principio de funcionamiento se basa en el equilibrio de las columnas de líquidos (vasos comunicantes) retirados por los flujos de las fases ligera y pesada.

Requisitos para el extractante:

Mínima solubilidad mutua con azúcar refinado;

Alta selectividad;

Relación de distribución alta y gran capacidad;

Diferencia suficiente de densidad en comparación con el azúcar refinado;

Disponibilidad, bajo costo, facilidad de regeneración;

No tóxico, a prueba de explosiones, mínima acción corrosiva.

La extracción es eficaz cuando existe un alto contenido de sustancias orgánicas disueltas en las aguas residuales industriales, que son de valor técnico. El más utilizado para el tratamiento de aguas residuales de empresas para el tratamiento térmico de combustibles sólidos (carbón, pizarra, turba) que contienen una cantidad significativa de fenoles.

Método de cálculo

1. Factor de extracción:

donde C in y C out son la concentración de entrada y salida requerida (MPC) del contaminante en las aguas residuales.

2. Caudal volumétrico del extractante:

, m 3 / h, (2,2)

donde Q CB - consumo de aguas residuales, m 3 / h;

m - coeficiente de distribución.

3. Concentración de la sustancia extraída en el extracto (con el extractante puro original):

, mg / l. (2,3)

4. Grado de extracción requerido:

. (2.4)

5. Sección transversal del aparato:

, m 2, (2,5)

donde w es el caudal, m / s. En los cálculos, w \u003d 0,02 m / s.

6. Diámetro de la columna:

, m. (2,6)

7. Altura de la columna: H \u003d (5-7) D, m. (2.7)

8. Altura de salida TF (de la ecuación de vasos comunicantes):

, m, (2,8)

dónde y - densidad de LF y TF (agua), \u003d 1000 kg / m3;

y - Alturas LF y TF (Figura 2.1). Tomando eso
, puedes configurar o (p.ej, \u003d H / 7) y calcule la altura de la salida TF.

Tabla 2.1 - Datos iniciales (opciones).

Institución Educativa Presupuestaria del Estado Federal

Educación profesional superior

Universidad Estatal de Agrotecnología de Ryazan

llamado así por P. A. Kostychev "

Departamento

"Tecnología de la restauración pública"

Trabajo de laboratorio No. 10

en la disciplina "Procesos y dispositivos de producción de alimentos"

Aparato de extracción

Riazán - 2011

Las instrucciones metódicas se discutieron en la reunión del departamento. Protocolo TOP nº 1 "31" de agosto de 2011

Jefe de Departamento ___________ VO. Cherkasov

Aprobado por el Consejo (Comisión Metódica) facultad de Tecnología

"_____" _____________ 2011.

Presidente ____________ VO. Platonov

Objetivo -consolidación de conocimientos teóricos en el apartado "Procesos de transferencia de masa", el estudio de estructuras y dispositivos para el proceso de extracción.

Como resultado del trabajo de laboratorio los estudiantes deben estudiar el diseño y el funcionamiento del aparato de extracción.

CONSTRUCCIONES Y CÁLCULO DE EXTRACTORES

La eficiencia de la transferencia de masa en los procesos de extracción es proporcional al área de la superficie de transferencia de masa y a la fuerza motriz promedio del proceso. Para aumentar el área de la superficie de transferencia de masa en los extractores, una de las fases líquidas se dispersa y distribuye en la otra en forma de gotas. El proceso de transferencia de masa tiene lugar entre las fases de dispersión y continua. Para realizar el proceso con mayor fuerza motriz en los extractores, la interacción de los flujos se organiza en condiciones próximas al desplazamiento ideal. Esto se consigue realizando el proceso en capa fina en extractores centrífugos empaquetados, seccionando los extractores o utilizando plantas de extracción seccional multietapa.

Los extractores, según el principio de organización del proceso, son de acción continua y periódica.

Según el método de contacto de fase, los extractores se pueden dividir en tres grupos: escalonado o seccional, contacto diferencial y mezcla-sedimentación.

Extractores escalonados (seccionales)constan de secciones separadas, en las que el cambio de concentración en las fases se produce de forma abrupta. En algunos casos, cada sección acerca el campo de concentración a un aparato de mezcla ideal. El extractor, que consta de varias de estas secciones, se acerca al aparato de desplazamiento ideal a lo largo del campo de concentración.

La necesidad de una separación de fases después de cada sección de extracción en el caso de emulsiones poco separables puede conducir a un aumento significativo en el tamaño del extractor.

Extractores de contacto diferencialproporcionan un contacto continuo entre las fases y un cambio continuo suave en las concentraciones en las fases. Debido a la mezcla longitudinal de las fases en tales aparatos, puede haber una disminución significativa en la fuerza motriz promedio en comparación con los dispositivos de flujo pistón.

Se requiere energía para dispersar la fase líquida. Dependiendo del tipo de energía gastada, los extractores pueden estar sin suministro de energía externo y con su suministro. La energía externa se puede introducir en las fases de interacción mediante dispositivos de agitación, vibradores y pulsadores, por ejemplo, en extractores de vibro-pulsación, en forma de fuerza centrífuga en extractores centrífugos, energía cinética del chorro en extractores de inyección y eyector.

Extractores de mezcla y decantaciónconstan de varias etapas, cada una de las cuales incluye un mezclador y un separador. En el mezclador, debido al aporte de energía externa, una de las fases líquidas se dispersa con la formación de una fase dispersa, que se distribuye en la otra fase continua. La fase dispersa puede ser ligera o pesada.

En el separador, que es un tanque de sedimentación, y en las instalaciones modernas, un separador, la emulsión se separa en refinado y extracto. Un diagrama del extractor de mezcla y decantación más simple se muestra en la Fig. 1.

1 - extractor: 2 - separador

Figura 1 - Planta de extracción de mezcla y sedimentación

Al conectar varias secciones de mezcla y sedimentación, se forman plantas de extracción de diferentes esquemas.

El esquema dado, debido a una serie de deficiencias inherentes, a saber: engorroso, gran área de producción, alto consumo de metal y energía, se reemplaza por diseños más avanzados.

Extractores de bandejas(Fig. 2) son aparatos de columna con platos de cribado de varios diseños, equipados con dispositivos de rebose. La interacción de fase ocurre en corriente cruzada en cada placa. La fase dispersa (ligera o pesada) pasa a través de los orificios de las bandejas y se rompe en gotitas. La fase continua se mueve a lo largo de la placa de desbordamiento en desbordamiento. Las gotas de las bandejas se fusionan y forman una capa líquida continua sobre la bandeja (líquido pesado) o debajo de la bandeja (líquido ligero). La capa de respaldo divide el extractor en altura y proporciona un respaldo para dispersar el líquido a través de los orificios de las bandejas. La seccionalización del extractor reduce el retromezclado de las fases y aumenta la fuerza motriz promedio del proceso.

1 - cuerpo cilíndrico; 2 - dispositivo de desbordamiento; 3 - placas perforadas

Figura 2 - Extractor de discos

La velocidad de la fase dispersa en los orificios de la bandeja se determina a partir de las condiciones para crear un régimen de chorro. La velocidad crítica correspondiente a la transición del modo de goteo al modo de chorro depende del diámetro de los orificios:

Para operar el extractor en un modo de chorro estable, la velocidad aumenta en aproximadamente un 20% en comparación con la crítica.

Extractor de disco rotativo(Fig. 3) se refiere a extractores con agitación de fase mecánica. Se trata de un aparato vertical de múltiples secciones, en un cuerpo cilíndrico cuyo eje está instalado un rotor con discos horizontales redondos. Los discos giran en el plano medio de la sección extractora y están separados por deflectores anulares, lo que evita la mezcla longitudinal de flujos y aumenta la fuerza motriz del proceso. Cuando el rotor gira, los discos crean flujos axiales de la fase continua dirigidos desde el eje del rotor a las paredes del extractor. Al llegar a las paredes, el líquido se mueve a lo largo de ellas hacia arriba y hacia abajo en el espacio limitado por tabiques anulares. Al reflejarse en los anillos deflectores, el líquido cambia de dirección y se mueve hacia el eje del extractor. Así es como surgen los flujos toroidales de la fase continua. Hay zonas de sedimentación en las partes superior e inferior del extractor. Gotas de la fase ligera: el extracto se mueve hacia arriba y se fusiona en la zona de sedimentación superior. Para una mejor separación de fases, las zonas de sedimentación tienen un diámetro ligeramente mayor que las zonas de mezcla.

1, 5 - zonas de asentamiento; 2 - cuerpo; 3 - particiones anulares; 4 - rotor

Figura 3 - Extractor de disco rotatorio

En otros diseños, los mezcladores de turbina abiertos están ubicados en el rotor en el plano medio de cada sección. La partición se realiza con deflectores anulares. En tales extractores, las zonas de mezcla y separación se alternan.

En lugar de particiones anulares, las zonas de mezcla pueden estar separadas por una capa de relleno, por ejemplo anillos Raschig, en los que la mezcla ternaria se separa en un líquido ligero y uno pesado. En la Fig. 4 muestra un extractor con agitadores de turbina y zonas de sedimentación llenas de anillos Raschig.

Las ventajas de los extractores descritos son: régimen hidrodinámico efectivo, que determina altos coeficientes de transferencia de masa y área de superficie de contacto interfacial; dividir el volumen de reacción en secciones, lo que conduce a un aumento de la fuerza impulsora promedio a valores cercanos a los de un aparato de flujo pistón; la capacidad de regular la velocidad del rotor, lo que le permite cambiar la productividad y la eficiencia del extractor.

1 - rotor; 2 - capa de embalaje; 3 - mezcladores de turbina

Figura 4 - Fragmento de un extractor compacto rotativo

Extractores de vibraciones y pulsospermiten incrementar la intensidad de la transferencia de masa y utilizar las cualidades positivas de los extractores por gravedad (simplicidad de diseño, bajo costo, bajos costos operativos).

El movimiento oscilatorio de los líquidos se puede comunicar mediante un pulsador instalado fuera del extractor o por medio de un bloque de movimiento alternativo de bandejas de cribado montado en una varilla común móvil. En el primer caso, el extractor se llama pulsante (Fig. 5), y en el segundo, se llama vibración.

El mecanismo de distribución de carretes consiste en un disco que gira en un cuerpo fijo. El disco y el cuerpo tienen dos ventanas cada una para conectar la cámara de pulsaciones con el sistema de aire comprimido y para comunicar la cámara con la atmósfera. Cuando las ranuras de aire comprimido en el disco y el cuerpo coinciden, el fluido en la cámara de pulsación está bajo presión excesiva. Debido a la caída de presión, el líquido recibe un movimiento de traslación. Cuando la cámara de pulsaciones se comunica con la atmósfera, cuando coinciden las ranuras de alivio de presión en el disco giratorio y la carcasa, se libera la presión y el líquido hace un movimiento de retorno. Al ajustar la velocidad de rotación del disco, puede cambiar la frecuencia de oscilación del líquido en el extractor. La amplitud de la vibración está determinada por la presión del aire comprimido. La frecuencia de las pulsaciones suele ser de 30 a 250 vibraciones por minuto, y la amplitud es de 2 ... 0,25 mm.

1 - cuerpo fijo; 2 - disco giratorio; 3 - ventanas para la conexión al sistema de aire comprimido, 4 - una ventana de comunicación con la atmósfera, 5 - cámara de pulsaciones

Figura 5 - Extractor de pulsos

Dependiendo del producto de la amplitud y la frecuencia de vibración, los extractores de pulsaciones pueden operar en los modos de mezcla-sedimentación y emulsificación.

En el modo de mezcla-sedimentación, en un ciclo de pulsaciones, la fase de luz, que se mueve de la bandeja inferior a la superior, se dispersa en la bandeja y se fusiona en el espacio entre bandejas. La fase pesada se mueve entre sí a través de la capa de líquido ligero. Este modo se caracteriza por una corta duración de contacto de fase y el área de la superficie de interfase. Con un aumento en el producto de la amplitud y la frecuencia de oscilación, el tamaño de la gota disminuye y surge un régimen de emulsificación, que se caracteriza por la presencia de pequeñas gotas de aproximadamente el mismo diámetro, que llenan todo el volumen entre platos del extractor.

El tamaño de los orificios en las bandejas del extractor es de 3 ... 5 mm, el área de todos los orificios se toma igual al 20 ... 25% del área de la sección transversal de la columna; la distancia entre las placas es de 50 mm.

Se logra una mejor distribución y dispersión con bandejas de orificios rectangulares y paletas.

En los extractores vibratorios, la vibración del conjunto de la placa se produce a frecuencias más altas y amplitudes más bajas que la pulsación del líquido en los extractores pulsantes. El consumo de energía por vibración de la unidad de bandeja es mucho menor que en extractores pulsantes para mover toda la columna de líquido.

La ventaja de los extractores de vibración y pulsación es la transferencia de masa efectiva, que se logra aumentando los coeficientes de transferencia de masa, la fuerza impulsora promedio del proceso y la superficie de contacto de fase desarrollada. HETS en tales extractores es 5 ... 6 veces menor que en extractores de tamices de disco.

Las cargas específicas elevadas superan las cargas permitidas en los extractores de disco giratorio.

La alta eficiencia de la transferencia de masa permitió reducir significativamente el consumo de metal de los equipos de extracción, lo que condujo a una disminución de los costos de capital.

Al mismo tiempo, los extractores de vibraciones y pulsaciones requieren cimientos más potentes que puedan soportar cargas dinámicas significativas. Los costes operativos de estos extractores son ligeramente superiores a los de los extractores de bandejas convencionales.

A extractores centrífugos(Fig. 6) la extracción procede con contacto continuo de las fases que se mueven en contracorriente con el mínimo tiempo de interacción.

En el cuerpo de la máquina, que consta de dos carcasas: superior e inferior, hay un eje con un rotor fijado a él. El eje es hueco en ambos extremos y está realizado según el tipo "pipe in pipe", y en la parte central es de una pieza, con canales para el drenaje de líquidos ligeros. El eje junto con el rotor gira a una frecuencia de aproximadamente 4500 min -1.

La solución procesada y el extractante ingresan al extractor desde los extremos opuestos del eje hueco, como se muestra en la Fig. 6. Se suministra fluido ligero desde el extremo de transmisión y fluido pesado desde el extremo opuesto del eje. El eje está sellado con sellos mecánicos dobles. El líquido procesado en el extractor sirve como líquido de sellado.

Dentro del rotor hay un paquete de anillos en V concéntricos. El rotor tiene canales para el paso de líquidos ligeros y pesados. El fluido pesado entra en el paquete del rotor, en su parte central, mientras que el fluido ligero entra en la parte periférica del rotor. Cuando el rotor gira junto con el paquete de anillos, el líquido pesado bajo la acción de la fuerza centrífuga se precipita hacia el perímetro exterior del rotor y el líquido ligero se mueve hacia el eje del rotor. Por tanto, los líquidos entran en contacto en contracorriente. Debido a la dispersión múltiple del líquido en gotitas y la coalescencia de las gotitas, se logra una alta eficiencia de extracción.

Después de la separación de la mezcla ternaria, los fluidos se descargan a través de los canales del rotor en el eje hueco: el fluido pesado se descarga desde el lado de la transmisión y el ligero, desde el extremo opuesto del eje, desde el lado de la entrada de fluido pesado.

La inversión de fase tiene lugar dentro del rotor. Si en la parte periférica del rotor la fase dispersa del líquido ligero interactúa con la fase continua del líquido pesado, entonces en la zona adyacente al eje del rotor, por el contrario, la fase dispersa del líquido pesado contacta con la fase continua del líquido ligero.

1 - cuerpo extractor; 2 - anillo en V; 3 - rotor; 4 - tubo para suministro de líquido ligero: 5 - una tubería para drenar un líquido ligero; 6 - tubería para suministro de líquido pesado: 7 - canal para entrada de líquido pesado

Figura 6 - Extractor "Podbilnyak"

Se proporciona una válvula de retención en el tubo de salida de líquido ligero para ajustar la posición del límite de las dos fases en la dirección radial. Al cambiar la presión de trabajo del líquido ligero con una válvula de retención, es posible obtener la relación requerida de los volúmenes de líquido ligero y pesado retenidos en el rotor del extractor.

La eficiencia de extracción se puede establecer en función de las propiedades de los líquidos procesados \u200b\u200bcambiando el volumen de líquido pesado y ligero retenido en el rotor.

Con un aumento en la velocidad del rotor, la eficiencia de extracción y la productividad del extractor aumentan, se elimina la "inundación" y aumenta la eficiencia de separación de la mezcla ternaria.

Los extractores centrífugos son compactos y altamente eficientes. Su característica distintiva es una aceleración significativa de los procesos de mezcla y separación de fases en el campo de las fuerzas centrífugas. El tiempo de residencia de las fases en dichos extractores, según el diseño, varía de varios segundos a varias decenas de segundos,

En extractores centrífugos se pueden procesar líquidos con baja diferencia de densidad y con un módulo de extracción bajo.

A planta de extracción continua(Fig. 7) los principales dispositivos son el extractor, recipientes para la solución inicial, extractante, refinado y extracto. La solución original se alimenta a la parte superior del extractor desde el recipiente. 3 bomba 2. Del contenedor 4 bomba 1 el extractante (líquido ligero) se alimenta al fondo del extractor.

El intercambio de masa en el extractor se produce en contracorriente: el extractante pasa a través de las bandejas de abajo hacia arriba y la solución original se mueve hacia. Como resultado, el extracto sale por la parte superior del extractor y el refinado sale por la parte inferior, los cuales se recogen en contenedores apropiados.

1,2 - bombas; 3, 4, 6, 7 - capacidades: 5 - extractor

Figura 7 - Esquema de una planta de extracción continua